立體化智能倉(cāng)庫(kù)的開發(fā)與實(shí)施

文/孫茹樹

1 項(xiàng)目背景

近些年隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟，人工智能在各行各業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、工業(yè)自動(dòng)化等深入各行各業(yè)。創(chuàng)新開發(fā)立體化智能倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)車間所需要的物料、備品備件、貨物進(jìn)行管理。立體化智能倉(cāng)庫(kù)綜合采用5G技術(shù)、信息識(shí)別技術(shù)、圖像監(jiān)視技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)等，自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物料，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中物料、貨物的自動(dòng)化運(yùn)輸，減少人力運(yùn)輸成本，提高工作效率。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)概述

立體化智能倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)主要由智能化機(jī)器人、電氣設(shè)備、立體化貨架、計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)組成。能夠充分利用空間，實(shí)現(xiàn)貨物的最大存儲(chǔ)量，完全由計(jì)算機(jī)操控，在不直接人工干預(yù)的情況下，智能化機(jī)器人自動(dòng)地存儲(chǔ)和取出物料的存儲(chǔ)系統(tǒng)。機(jī)械設(shè)備主要包括貨架、托盤、智能化機(jī)器人；電氣設(shè)備主要包括檢測(cè)裝置、信息識(shí)別裝置、控制裝置、5G數(shù)據(jù)通信設(shè)備、4K圖像監(jiān)視設(shè)備等，綜合運(yùn)用了信息識(shí)別技術(shù)、圖像監(jiān)視技術(shù)；計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)是集物資存儲(chǔ)、輸送、分配等功能于一體的自動(dòng)化系統(tǒng)。承擔(dān)智能化倉(cāng)庫(kù)的貨物管理、堆垛機(jī)控制、運(yùn)送機(jī)控制、自動(dòng)分揀等，能夠?qū)崿F(xiàn)包裝標(biāo)準(zhǔn)化、識(shí)別智能化、輸送機(jī)械化、控制自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中物料、貨物的自動(dòng)化運(yùn)輸，減少人力運(yùn)輸成本，提高工作效率。

2.2 各個(gè)功能模塊應(yīng)用特點(diǎn)詳述

2.2.1 智能化機(jī)器人

智能化機(jī)器人設(shè)計(jì)為4軸軌道叉臂機(jī)器人，機(jī)器人在軌道上具有啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位等運(yùn)動(dòng)功能，同時(shí)具備高度的升降，左右叉臂的伸縮功能。機(jī)械部分采用導(dǎo)軌和高精度齒條設(shè)計(jì)，高精度齒條的選用，大大提高了機(jī)器人4軸運(yùn)動(dòng)的精度。

智能化機(jī)器人的控制核心采用PLC可編程控制器，PLC通過(guò)位置模式控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的4軸運(yùn)動(dòng)。其中，PLC選用三菱FX5U系統(tǒng)，三菱FX5U具備4軸高速脈沖輸出，完全滿足機(jī)器人的4軸控制；電機(jī)選用臺(tái)達(dá)B2系列，大功率伺服電機(jī)的使用，使機(jī)器人最大載重可達(dá)500公斤，運(yùn)行速度最高可達(dá)30米/分鐘，在高負(fù)載高速率的情況下滿足機(jī)器人的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。其中，為考慮機(jī)器人的安全，控制高度的伺服電機(jī)應(yīng)具備電磁剎車功能，避免機(jī)器人取重物時(shí)突然斷電，出現(xiàn)失重現(xiàn)象。PLC軟元件布局如表1所示。

表1

機(jī)器人電源系統(tǒng)由蓄電池和電源管理系統(tǒng)組成，當(dāng)蓄電池電量低于預(yù)設(shè)的閥值時(shí)，電源管理系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出充電申請(qǐng)，并接收控制系統(tǒng)指令自動(dòng)運(yùn)行至充電站充電。當(dāng)機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間處于任務(wù)空閑時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)指令讓機(jī)器人處于休眠狀態(tài)，低功耗運(yùn)行。

2.2.2 電氣設(shè)備

電氣設(shè)備主要包括檢測(cè)裝置、信息識(shí)別裝置、5G數(shù)據(jù)通信模塊、4K圖像監(jiān)視設(shè)備等。

電氣設(shè)備使機(jī)器人具備了位置識(shí)別、障礙物感知、和上位機(jī)通訊等功能。檢測(cè)裝置的位置傳感器主要由定位傳感器和超聲波傳感器組成。定位傳感器給機(jī)器人提供位置信息，可以使機(jī)器人快速準(zhǔn)確的運(yùn)行到指定位置。機(jī)器人的移動(dòng)位置雖然由PLC控制，但運(yùn)行過(guò)程中難免出現(xiàn)丟步或者人為移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)器人可以通過(guò)定位傳感器實(shí)時(shí)修正自己的位置坐標(biāo)，并通過(guò)通信模塊將位置信息反饋給上位機(jī)；超聲波傳感器用于獲取機(jī)器人周圍的信息，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行方向或者機(jī)械臂伸展方向有障礙物的時(shí)候，機(jī)器人會(huì)停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

5G通訊模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。操作人員通過(guò)人機(jī)界面輸入需要取件的物料，上位機(jī)通過(guò)5G通訊模塊發(fā)送物料名稱、編號(hào)、貨架位置、取件數(shù)量等信息給機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速而準(zhǔn)確的取貨。同時(shí)，機(jī)器人也會(huì)將定位和超聲波傳感器信息通過(guò)5G通訊模塊實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)。當(dāng)機(jī)器人與通信網(wǎng)絡(luò)失聯(lián)超過(guò)一定時(shí)間時(shí)，出于安全考慮，機(jī)器人自動(dòng)停止運(yùn)行，發(fā)出報(bào)警信息，等待人工介入處理。

4K圖像監(jiān)視設(shè)備用于監(jiān)看機(jī)器人的運(yùn)行情況，4K圖像通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳至服務(wù)器電腦，操作人員可以監(jiān)看機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.3 立體化貨架

立體化貨架可根據(jù)生產(chǎn)車間的需求自由定制，一般可采用5-10層貨架，貨架長(zhǎng)度最長(zhǎng)可至100米，可滿足大型立體化倉(cāng)庫(kù)的需求。

2.2.4 計(jì)算機(jī)控制和管理系統(tǒng)

人機(jī)界面采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要分為機(jī)器人控制系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)，使用VB6.0開發(fā)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器人通訊。

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要功能是計(jì)算機(jī)和PLC之間的5G通訊，由計(jì)算機(jī)發(fā)送指令，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給PLC；機(jī)器人自身的傳感器信息也將由PLC通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)反饋給計(jì)算機(jī)。操作人員通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視調(diào)度系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)器人安全狀態(tài)、傳感器狀態(tài)、故障信息，并進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制等，可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級(jí)、遠(yuǎn)程重啟等操作。

計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)主要功能是對(duì)立體化倉(cāng)庫(kù)的物料管理，采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)立體化倉(cāng)庫(kù)內(nèi)所有物料的信息，包括物料名稱、數(shù)量、位置等信息。倉(cāng)庫(kù)管理員需對(duì)貨架上所有周轉(zhuǎn)箱編號(hào)，將物料分類后按編號(hào)放入周轉(zhuǎn)箱，所有信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)管理的信息化。機(jī)器人控制系統(tǒng)在收到取料指令后，自動(dòng)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)信息，獲取庫(kù)存情況及物料的位置信息，并講信息發(fā)送給機(jī)器人，由機(jī)器人完成物料的收取。

3 工作流程

操作人員在計(jì)算機(jī)輸入所需物料的名稱和數(shù)量，計(jì)算機(jī)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢庫(kù)存情況和物料的位置編號(hào)，查詢無(wú)誤后向機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人獲取指令后自動(dòng)巡航至指定位置，用叉臂鏟起周轉(zhuǎn)箱后巡航至取料臺(tái)，操作人員在取料臺(tái)收取物料，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。

4 總結(jié)與展望

4.1 方案總結(jié)

生產(chǎn)車間的倉(cāng)庫(kù)存在亂堆、亂放現(xiàn)象，很難實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，有些不常用物料通常被遺忘在角落，不利于查找。立體化智能倉(cāng)庫(kù)解決了這一問(wèn)題，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可以快速準(zhǔn)確的查找所需物料的位置、數(shù)量，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)向機(jī)器人發(fā)送指令，由機(jī)器人完成物料的存取，既提高了工作效率，又實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理。

現(xiàn)有機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)采用的軌道式機(jī)器人，軌道式機(jī)器人開發(fā)成本低、運(yùn)行精度高，但靈活性差，為適應(yīng)大型倉(cāng)庫(kù)車間的智能化管理，下一步將開發(fā)自走機(jī)器人，以適應(yīng)更多的使用場(chǎng)景。

4.2 未來(lái)展望

“機(jī)器換人”不僅緩解勞動(dòng)力成本上漲帶來(lái)的壓力，而且智能裝備可以提高生產(chǎn)效率，降低單位時(shí)間內(nèi)的成本，從而增大盈利空間。

建設(shè)智能倉(cāng)庫(kù)、智能工廠是制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方式，是中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略。中國(guó)要從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，必須加快推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合。數(shù)字化是智能化的必由之路，如果沒(méi)有智能化工廠的打算，企業(yè)可能在未來(lái)喪失競(jìng)爭(zhēng)力。